Олигосахариды представляют собой углеводы, молекулы которых состоят из нескольких моносахаридных остатков, соединённых между собой гликозидными связями. В зависимости от количества остатков различают дисахариды (два остатка), трисахариды (три), тетра- и пентасахариды и т.д. Обычно в биологических системах встречаются соединения, содержащие от двух до десяти моносахаридных звеньев.
Гликозидная связь образуется между полуацетальной гидроксильной группой одного моносахарида и гидроксилом другого с выделением молекулы воды. В зависимости от конфигурации первого атома углерода (C₁) образуются α- или β-гликозидные связи, что определяет пространственную структуру и физико-химические свойства олигосахарида.
По составу мономеров различают:
Мальтоза (солодовый сахар) — продукт частичного гидролиза крахмала и гликогена. Состоит из двух остатков α-D-глюкопиранозы, соединённых α(1→4)-гликозидной связью. Сохраняет редуцирующие свойства благодаря наличию свободного полуацетального гидроксила у одного из остатков.
Лактоза (молочный сахар) — дисахарид, состоящий из β-D-галактозы и β-D-глюкозы, связанных β(1→4)-гликозидной связью. Является основным углеводом молока. При ферментативном расщеплении лактазой образуются галактоза и глюкоза, служащие энергетическим материалом для клеток.
Сахароза (тростниковый или свекловичный сахар) — дисахарид, состоящий из α-D-глюкопиранозы и β-D-фруктофуранозы, соединённых α(1→2)-β-гликозидной связью. В отличие от мальтозы и лактозы, сахароза не имеет свободных полуацетальных гидроксилов и поэтому не обладает редуцирующими свойствами.
Целлобиоза — структурная единица целлюлозы, образованная двумя остатками β-D-глюкопиранозы, соединёнными β(1→4)-связью. Нерастворима в воде, не усваивается организмом человека из-за отсутствия фермента β-глюкозидазы.
Олигосахариды проявляют химические свойства, характерные для полуацетальных и гидроксильных групп. Основные реакции включают:
1. Энергетическая функция. Олигосахариды, особенно дисахариды, служат важными источниками быстрой энергии. При гидролизе в организме они превращаются в моносахариды, которые затем окисляются в процессе гликолиза и цикла трикарбоновых кислот с образованием АТФ.
2. Структурная функция. Некоторые олигосахариды входят в состав сложных биополимеров. Целлобиозные фрагменты формируют структуру целлюлозы, а галактозо-глюкозные цепи — основу некоторых растительных полисахаридов и гликопротеинов.
3. Рецепторная и сигнальная функции. Гетероолигосахаридные цепи, ковалентно присоединённые к белкам и липидам клеточных мембран, образуют гликопротеины и гликолипиды. Эти комплексы участвуют в межклеточном распознавании, иммунных реакциях, прикреплении вирусов и бактерий к клеткам. Специфичность олигосахаридных структур определяет тип взаимодействий между клетками и сигнальными молекулами.
4. Защитная функция. Олигосахариды, входящие в состав слизей и секретов, выполняют барьерную роль, защищая клетки и ткани от механических повреждений и патогенов. Мукополисахариды, содержащие олигосахаридные цепи, обеспечивают вязкость биологических жидкостей и участвуют в смазке суставов.
5. Регуляторная функция. Некоторые олигосахариды выступают в качестве регуляторов роста и развития растений, влияя на синтез гормонов и активность ферментов. У животных они могут модулировать иммунные ответы и работу микробиоты кишечника.
В организме человека гидролиз олигосахаридов осуществляется ферментами — гликозидазами. Каждый фермент специфичен к типу связи и конфигурации сахарного остатка. Например, мальтаза расщепляет α(1→4)-связи, лактаза — β(1→4)-связи, а сахараза — α(1→2)-β-связи. Недостаточность этих ферментов приводит к нарушениям пищеварения, например, к непереносимости лактозы.
Образующиеся при гидролизе моносахариды всасываются в тонком кишечнике и поступают в кровь, где используются для синтеза гликогена или окисляются до углекислого газа и воды.
Олигосахаридные цепи широко представлены в составе гликоконъюгатов — гликопротеинов и гликолипидов. В гликопротеинах они ковалентно связаны с аминокислотными остатками аспарагина (N-гликозидная связь) или серина/треонина (O-гликозидная связь). Такие структуры формируют гликокаликс — наружный слой клеточной мембраны, обеспечивающий специфичность взаимодействий и узнавание клеток.
У бактерий олигосахаридные фрагменты входят в состав липополисахаридов клеточной стенки, выполняя роль антигенных детерминант. У млекопитающих — участвуют в формировании групп крови (система ABO), определяя наличие тех или иных терминальных остатков сахаров.
Олигосахариды играют важную роль в питании. Лактоза — основной углевод грудного молока, обеспечивающий энергией младенцев и способствующий росту полезной микрофлоры кишечника. Фрукто- и галактоолигосахариды действуют как пребиотики, стимулируя развитие бифидобактерий и лактобацилл.
В фармацевтической промышленности производные олигосахаридов применяются для создания лекарственных форм с контролируемым высвобождением активных веществ, а также для разработки биосовместимых покрытий и иммунотерапевтических препаратов.
В биотехнологии и молекулярной биологии исследование структуры и функций олигосахаридов имеет значение для понимания механизмов клеточной сигнализации, иммунного ответа и патогенеза инфекций.